第一讲 流体流动

第一讲流体流动第一页，共三十五页，2022年，8月28日绪论任何一种化工产品的生产过程，都是由若干个单元操作及化学反应过程组合而成。什么是单元操作呢？单元操作是指在各种化工产品的生产过程中普遍采用的，遵循共同的物理学定律，所有设备相似，具有相同作用的那些基本操作。本书的主要内容：研究化工生产过程中的单元操作第二页，共三十五页，2022年，8月28日绪论化工生产过程第三页，共三十五页，2022年，8月28日绪论单元操作及分类1、按操作目的分类（1）物料的增压、减压和输送；（2）物料的混合或分散；（3）物料的加热或冷却；（4）非均相混合物的分离；（5）均相混合物的分离。2、按达到相同的目的，依据不同原理，采用不同方法分类（表1）新的单元操作：膜分离技术单元操作：过程和设备并重，研究各单元操作就是为了掌握过程的规律，并设计设备的结构和大小，以使过程在有利的条件下进行。

第四页，共三十五页，2022年，8月28日绪论单元操作遵循的几个基本规律或基本过程动量传递过程：如流体的输送、沉降、过滤、搅拌及固体流态化等。热量传递过程：如传热、蒸发、结晶。传热过程质量传递过程：如吸收、蒸馏、萃取、干燥、吸附等。传质过程热力学过程：如冷冻及深度冷冻。第五页，共三十五页，2022年，8月28日第六页，共三十五页，2022年，8月28日绪论单位：分国际单位制（SI）和工程单位生产上俗称的1公斤压力（1kgf/cm2）等于1标准大气压（1atm）＝1.013×105N/m2表达各单元操作规律的五个概念：物料衡算：输入量-输出量＝积累量热量衡算物系的平衡关系传递速率及经济核算第七页，共三十五页，2022年，8月28日思考题什么是化工单元操作？它具有哪些特点？按理论基础，又分哪几个过程？习题1标准大气压（1atm）的压力等1.033kgf/cm2，换算成N/m2。3/(mol.k)换算成国际单位kJ/(kmol.K)绪论第八页，共三十五页，2022年，8月28日第1章流体流动主要任务：选：合适的流速、合适的管径、阀门、测量仪表、泵、风机研：为了选合适就得研究流体的性质，流动形态即条件，流体的有关规律。脱硫变换工段第九页，共三十五页，2022年，8月28日1概述流体：液体与气体的统称。粘度：流体内部摩擦力的表现，是流体重要的物性参数理想流体：理想液体与理想气体的统称，即粘度为零的流体。理想液体：不可压缩，受热不膨胀，粘度为零因而流动时不产生摩擦阻力的液体。理想气体：粘度为零，流动时没有摩擦阻力的气体，它完全符合理想气体状态方程式实际流体：粘度不为零的流体流体的分类：可压缩流体和不可压缩流体液体一般当作不可压缩流体；气体一般为可压缩流体，但如果压力或温度很小时，也可当作不可压缩流体2流体静力学主要研究流体在静止的状态下所受各种力之间的关系，实际上是讨论流体静止时其内部压强的变化规律。第十页，共三十五页，2022年，8月28日2.1流体的基本性质密度：查应密度数值时应注意所对应的温度!液体的密度：2＝1/（1+T）

为液体的体积膨胀系数、绝大多数物质为正值；T＝（T2-T1）为温度差气体的密度：气体的密度随温度和压强而变化。用理想气体状态方程计算气体密度的前提条件：压强不太高、温度不太低。

p为气体的绝对压强，kPa；M为气体的相对分子质量，kg/kmol；R为通用气体常数，8.314KJ/（kmol·k）；T为气体的绝对温度，K第十一页，共三十五页，2022年，8月28日流体混合物的密度液体混合物的密度：

——xmA，xmB，xmn为混合物中各组分的质量分率气体混合物的密度：m＝AxVA+BxVB+···

+BxVB理想气体的混合密度：

Mm＝MAxA+MBxB+···

+Mnxn第十二页，共三十五页，2022年，8月28日流体的压强p＝P/A单位：大气压（atm）、工程大气压（kgf/cm2）、液柱高（如mmHg、mmH2O）绝压、表压和真空度绝对压强是指流体的真实压强；表压强是工程上用测压仪表以当地大气压强为基准测得的流体的压强值，即：表压强＝绝对压强-（外界）大气压强真空度表示绝对压强比（外界）大气压强小了多少，即：真空度＝（外界）大气压强-绝对压强绝压大气压真空度绝压表压大气压第十三页，共三十五页，2022年，8月28日流体的黏度流体流动时产生内摩擦力这种特性，称为黏性。衡量流体黏性大小的物理量称为黏度，以符号表示。黏度的单位：法定计量单位：N·s/m2，即Pa·s；CGS制单位泊（P）或厘泊（cP），换算关系：1厘泊（cP）＝10-2泊（P）＝10-3Pa·sSI制：CGS制：cP（厘泊）运动粘度SI制的单位为粘度μ又称为动力粘度。第十四页，共三十五页，2022年，8月28日流体的压缩性与膨胀性流体的体积随压强而变化的特性称为流体的压缩性，而随温度变化的特性称为膨胀性。μ的变化规律液体：μ＝f（t），与压强p无关，温度t↑，μ↓气体：p<40atm时μ＝f（t）与p无关，温度t↑，μ↑μ＝0，流体无粘性（理想流体，实际不存在）第十五页，共三十五页，2022年，8月28日2.2流体静力学基本方程式流体静力学方程的推导p1A+gA(Z1-Z2)=p2AP2=p1+g(Z1-Z2)=p1+

ghP=p0+gh在同一静止连续流体内部同一水平面上各处的压强是相等的。

在单一静止的连续流体内部，不同垂直位置上的p/g与gZ之和为常数第十六页，共三十五页，2022年，8月28日静力学方程式的应用（1）压力的测量常用压差计见P14图1-6如何使用压差计测量压强值？（2）液封高度为了防治容器内气体压力不超过给定的数值或者防止气体外流，常使用安全液封装置（或称水封装置）。h0＝p/g注意：p为器内压力（表压）第十七页，共三十五页，2022年，8月28日3流体动力学讨论流体流动的基本规律及其有关问题3.1流体的流量和流速（1）体积流量：V，m3/s或m3/h（2）质量流量：W，kg/s或kg/h（3）流速：u＝V/S质量流量、体积流量和流速之间的关系W＝V＝uS（4）质量流速：G＝W/S＝V/S＝u第十八页，共三十五页，2022年，8月28日几个流量参数之间的关系第十九页，共三十五页，2022年，8月28日某种流体在管道中常用的流速范围流体及其流动类别流速范围/（m/s）流体及其流动类别流速范围/（m/s）自来水（3×105Pa）1～1.5高压空气15～25水及低粘度液体（1×105Pa～1×106Pa）1.5～3.0一般气体（常压）10～20高粘度液体0.5～1.0鼓风机吸入管10～20工业供水（8×105Pa以下）1.5～3.0鼓风机排出管15～20锅炉供水（8×105Pa以下）﹥3.0离心泵吸入管（水类液体）1.5～2.0饱和蒸汽20～40离心泵排出管（水类液体）2.5～3.0过热蒸汽30～50往复泵吸入管（水类液体）0.75～1.0蛇管、螺旋管内的冷却水﹤1.0往复泵排出管（水类液体）1.0～2.0低压空气12～15液体自流速度（冷凝水等）0.5真空操作下气体流速﹤50第二十页，共三十五页，2022年，8月28日流体输送管道直径的计算

3.2稳定流动与非稳定流动若流速随时间而变化则为非稳定流动，反之则为稳定流动。表1-1某些流体在管道中的常用流速范围

第二十一页，共三十五页，2022年，8月28日3.3连续性方程流体稳定流动的物料衡算式：u1A1＝u2A2（连续性方程）第二十二页，共三十五页，2022年，8月28日3.4流体流动中的机械能（1）内能（2）位能（3）动能（4）静压能（5）外加能量（6）损失能量机械能（位能、动能、静压能）在流动过程可以互相转换，亦可转变为热或流体的内能。但热和内能在流体流动过程不能直接转变为机械能而用于流体输送。第二十三页，共三十五页，2022年，8月28日（1）内能内能是贮存于液体内部的能量，是由于原子与分子的运动及其相互作用存在的能量。因此液体的内能与其状态有关。内能大小主要决定于液体的温度，而液体的压力影响可以忽略。单位质量流体所具有的内能U＝f（t），J/Kg第二十四页，共三十五页，2022年，8月28日（2）位能在重力场中，液体高于某基准面所具有的能量称为液体的位能。液体在距离基准面高度为z时的位能相当于流体从基准面提升高度为z时重力对液体所作的功单位质量流体所具有的位能gz

第二十五页，共三十五页，2022年，8月28日（3）动能液体因运动而具有的能量，称为动能单位质量流体所具有的动能第二十六页，共三十五页，2022年，8月28日（4）静压能流体自低压向高压对抗压力流动时，流体由此获得的能量称为压强能单位质量流体所具有的压强能v——流体的比容（比体积），

第二十七页，共三十五页，2022年，8月28日3.4柏努利方程流体3.4.1理想流体稳定流动时的机械能衡算柏努利方程的推导

理想流体做稳定流动时遵循机械能守恒定律！几种特殊情况（1）u＝0（2）可压缩流体的简单计算第二十八页，共三十五页，2022年，8月28日3.4.2柏努利方程的几何意义以单位重量流体为衡算基准，有：理想实际流体（）以单位体积位衡算基准,有：柏努利方程的应用：例1-16（P26）第二十九页，共三十五页，2022年，8月28日4管路中流体流动阻力由于流体存在黏性，从而流体流动时有阻力，流体阻力大小与流体动学性质（黏性）一级流速、管壁粗糙度等因素有关。流体阻力分直管阻力和局部阻力。4.1实际流体的基本流动现象雷诺实验证明：管道中流体流动有滞流和湍流两种类型Re数：一般Re≤2000～2300时，属于滞流（层流）；当Re≥4000时，属于湍流。判断流体流动类型第三十页，共三十五页，2022年，8月28日第三十一页，共